Revolucionando Sensores Portátiles: Fabricación Ultra-Rápida y Libre de Agentes Ligantes con Impresión Electrostática

Ying Zhong, Profesora Asistente de Ingeniería Mecánica en la Universidad del Sur de Florida, y su equipo han inventado una nueva forma de imprimir sensores portátiles sin aglutinantes poliméricos. Llaman a su producto e-skin.

Tech Briefs: ¿Qué le dio la idea de usar fuerza electrostática para imprimir sensores flexibles?

Profesora Ying Zhong: Teníamos algunos colaboradores que fabricaban dispositivos flexibles —imprimiéndolos con serigrafía. Eso significa que tienes que mezclar polvos funcionales con aglutinantes, calentarlos y esperar a que se sequen, lo que lleva mucho tiempo. Así que buscábamos formas de imprimir más rápido, sin el calentamiento y secado.

Había estado trabajando en otro proyecto interesante: usar descarga corona para tratar la superficie de películas de polímero. Nos dimos cuenta de que la corona podía generar un tipo único de campo eléctrico fuerte que podríamos usar para levantar objetos pequeños. Eso nos hizo preguntarnos si sería posible colocar polvos secos debajo de la película para atraerlos directamente al sustrato —lo intentamos y funcionó.

Descubrimos un problema y nos dimos cuenta de que una tecnología en la que ya estábamos trabajando podía ser la solución.

Tech Briefs: Creo que así es como a menudo ocurre el progreso en tecnología. Mi siguiente pregunta es: una vez que las partículas son atraídas al sustrato, ¿cómo se mantienen allí?

Zhong: Como describimos en nuestro artículo publicado, estamos usando cinta médica de ocho micrómetros de espesor, que tiene un recubrimiento adhesivo para mantener las partículas. Es tan delgada que cuando la adhieres a tu piel, no la sientes.

Tech Briefs: ¿Cómo incorporarías diferentes tipos de sensores al fabricar esto?

Zhong: Esta tecnología de impresión es “universal” —puede imprimir diferentes tipos de materiales funcionales. Así que, por ejemplo, podemos usar grafeno o nanotubos de carbono (CNTs), que cambian la resistividad para reflejar el cambio en la deformación. El mecanismo de funcionamiento es que la deformación cambia la distancia entre las partículas, causando un cambio en la resistencia que refleja la magnitud de la deformación en el sensor.

También hemos reportado un sensor de temperatura basado en polvos termo-crómicos en nuestro artículo. Como dije, esta es una tecnología de impresión universal —puedes imprimir diferentes tipos de materiales funcionales. Ahora estamos demostrando que podemos imprimir tatuajes sensibles a la temperatura que cambian de color cuando cambia la temperatura. También estamos intentando imprimir materiales que puedan ser sensibles a la humedad y diferentes tipos de gases como amoníaco, monóxido de carbono y otros.

Tech Briefs: ¿Has pensado en cómo esto podría implementarse comercialmente? Me parece que tendrías que construir un tipo completamente diferente de impresora 3D.

Zhong: Sí, actualmente estamos colaborando con Jabil, Inc. para construir un sistema rollo-a-rollo, que puede permitir fabricar dispositivos a alta velocidad. Como no usamos aglutinantes, no tenemos que aplicar calor y luego esperar a que el material se seque. Eso significa que usando este sistema rollo-a-rollo para imprimir —para generar la fuerza electrostática— podemos fabricar dispositivos flexibles e incluso estructuras 3D a una tasa rápida y bajo costo.

Tech Briefs: ¿Es difícil generar y manejar el alto voltaje necesario para producir corona?

Zhong: Aunque necesitamos 20 a 30 kilovoltios para generar la corona, la corriente es muy baja, menor a 0.1 mA —nuestro equipo de laboratorio usa menos de 2 vatios de potencia— es muy eficiente energéticamente.

Tech Briefs: ¿Es un problema asegurar que el alto voltaje no cause daño?

Zhong: Bueno, por supuesto debes gestionar el sistema y cubrir todas las áreas conductoras circundantes. Basado en nuestras observaciones, mientras cubras el soporte del electrodo con capas aislantes, debería funcionar muy bien —no tuvimos muchos problemas con eso.

Tech Briefs: ¿Qué tipo de material usas para la cubierta?

Zhong: Por ahora, en nuestro laboratorio simplemente usamos cintas aislantes. En el futuro planeamos crear un recubrimiento de superficie aislante mejor controlado o soportes aislantes, lo cual puede hacerse fácilmente. Podemos usar polímeros para realizar el recubrimiento, e impresoras 3D para fabricar el prototipo. Tenemos múltiples proyectos relacionados con polímeros en mi laboratorio, así que eso debería ser fácil.

Tech Briefs: ¿Tienes otras aplicaciones en mente además de tu sensor de deformación “e-skin”?

Zhong: Sí, por ejemplo, hemos estado hablando con una empresa sobre hacer alfombras inteligentes de detección de deformación, lo cual se vuelve práctico porque la nuestra es una tecnología de fabricación de muy bajo costo y ultra-rápida que puede usarse para imprimir productos de gran área. La idea es producir alfombra que pueda identificar cuántas personas están paradas sobre ella. Luego podrías, por ejemplo, ajustar el consumo de energía del sistema HVAC basado en el número de ocupantes en una habitación.

También estamos colaborando con un colega en una aplicación para rehabilitación física. Nuestro colega trabaja con personas que tienen dificultad para controlar el comportamiento de sus piernas. Debido a que nuestro sensor es ultra-delgado, es muy cómodo y puedes hacerlo lo suficientemente grande para usarlo. Eso podría usarse para ayudarles a identificar cómo pueden controlar mejor el comportamiento de sus piernas.

Hay muchas aplicaciones futuras posibles. Por ejemplo, podrías adjuntarlo a la mano de un robot. Si quieres que recoja algo, podría detectar cuánta presión se está aplicando y cuánta área está en contacto.

Tech Briefs: ¿Tienes una estimación aproximada de cuándo esto podría estar listo para uso comercial?

Zhong: Ahora mismo, estamos trabajando con Jabil para configurar un pequeño sistema rollo-a-rollo en nuestro laboratorio. Si funciona bien, lo configuraremos en Jabil y les ayudaremos a fabricar sensores en grandes cantidades o tamaños grandes. Eso podría tomar de tres a cinco años, pero especialmente en estos días, es difícil predecir.

Una versión editada de esta entrevista apareció en la edición de enero de 2022 de Tech Briefs.